专利名称：基于中点钳位三电平技术的6kV中压变频器的制作方法
基于中点钳位三电平技术的6kV中压变频器技术领域
本发明属于交流电动机变频调速技术领域，尤其是一种基于中点钳位三电平技术 的6kV中压变频器。
背景技术：
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为所需频率的电能控 制装置，能实现对交流异步电机的软起动或变频调速，最常用的变频器是交-直-交电压型 变频器，通常分为四部分整流器、贮能电容、逆变器和控制器。整流器是将频率固定的交流 电转换为直流电的设备；贮能电容用来存储转换后的电能；逆变器是将直流电转化成不同 频率、幅度的交流电的设备；控制器是按设定的程序工作，控制变频器输出电压方波的脉冲 宽度，使输出电压基波为等效正弦波，进而驱动交流电动机的设备。
中点钳位三电平(简称3L-NPC)变频器是大功率(> 1MW)中压交流电动机变频调 速技术领域目前应用最广泛的电压型变频器之一。现有的3L-NPC变频器的逆变器由三个 3L-NPC支路並联构成，如图1所示，在每个3L-NPC支路上均由四个开关组件(其中每个开 关组件包含一个可控器件和一个续流二极管)及两个中点钳位二极管构成，其优点是主 电路简单，开关器件数量少，只需一套整流电源，能量回馈容易实现，其存在的问题是在现 有高压开关器件不串联的情况下，3L-NPC变频器的逆变器的额定输出电压达不到6kV，不 满足我国国标；而且输出电压波形的dv/dt较高，影响普通标准电动机的绝缘和使用寿命， 需使用加强绝缘的特殊电动机。
为了提高输出电压，一种方法是采用开关组件串联方式实现其将图1主电路中 的每个开关组件改为两串，直流母线电压Ud提高至9kV，使得逆变器最大输出线电压达到 6. 3kV，这种方法存在的问题是开关组件串联需有均压措施，可靠性受到影响，而且由于 dv/dt增大，需要加装庞大的输出滤波器；另一种方法是采用3个3L-NPC单相H桥构成的变 频器，每相一个单相H桥，每桥由两个并联3L-NPC支路及一组浮空的士2. 5kV整流电源构 成，如图2所示，这种方法存在的问题是需要使用3套浮空整流电源，丧失了常规3L-NPC 变频器的变压器和整流电源简单、实现回馈容易的优点，而且，单相H桥要求比三相逆变桥 大的多的贮能电容量。
综上所述，现有技术不能在保证现有3L-NPC变频器优点的基础上将其额定输出 电压提高至6kV。发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于中点钳位三电平技术的 6kV中压变频器，既保留现有3L-NPC变频器的优点，同时又能够将其额定输出电压提高至 6kV0
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的
一种基于中点钳位三电平技术的6kV中压变频器，包括整流电源、中点钳位三电平逆变器和零序电抗器，在中点联线打开的电动机定子三相绕组两边各连接一套中点钳位 三电平逆变器构成串联回路，两套中点钳位三电平逆变器共用一组整流电源，零序电抗器 绕组与电动机定子三相绕组串联在一起。
而且，所述的中点钳位三电平逆变器由三个中点钳位三电平支路並联构成，每个 中点钳位三电平支路均由四个开关组件及两个中点钳位二极管构成，每个开关组件均由一 个可控器件和一个续流二极管反向并联构成。
而且，所述的可控器件为IGBT或IGCT或IEGT高压器件。
而且，所述的零序电抗器为3绕组零序电抗器或6绕组零序电抗器。
而且，所述电动机定子三相绕组与零序电抗器绕组采用如下三种方式之一连接 使用一台3绕组零序电抗器串接于电动机定子三相绕组一侧；使用两台3绕组零序电抗器 分别串接于电动机定子三相绕组的两侧；使用一台6绕组零序电抗器，其中3个绕组串接于 电动机定子三相绕组一侧，另3个绕组串接于电动机定子三相绕组另一侧。
而且，所述的整流电源由整流器和贮能电容组成。
而且，所述的整流电源的直流母线电压Ud 5kV，该整流电源为如下三种方式之 一不可控整流电源、整流/回馈电源和PWM整流电源。
而且，所述两套中点钳位三电平逆变器的输入端分别连接一对贮能电容，或两套 中点钳位三电平逆变器共用一对贮能电容。
而且，两套中点钳位三电平逆变器的PWM调制策略为电压空间矢量法或有3倍频 交流偏置的三角载波比较法，两套中点钳位三电平逆变器的PWM调制周期错开半周期，使 输出相电压达到5电平、等效开关频率加倍。
本发明的优点和积极效果是
1、本中压变频器通过在中点联线打开的电动机定子三相绕组两边各连接一套 3L-NPC中点钳位三电平逆变器构成串联回路，实现了将现有的3L-NPC变频器的输出电压 从3kV提高到了 6kV，满足了我国电压等级标准要求，具有电路简单、容易实现回馈、运行可 靠等特点。
2、本6kV中压变频器的dv/dt与3kV的现有3L-NPC逆变器输出电压的dv/dt相 同，不会影响电动机绝缘和使用寿命，并且在逆变器输出及电动机定子三相绕组间增加的 零序电抗器不仅限制零序电流，还可进一步减小dv/dt对电机的影响，因此本变频器可直 接驱动普通6kV交流电机。
3、本中压变频器的整流电源使用一组约为士2. 5kV直流电源，变压器和整流电源 简单，容易实现回馈，并可用于公共直流母线。
4、本中压变频器使两套逆变器的PWM调制周期错开Τ/2 (T_调制周期)，使得输出 相电压电平数从3增至了 5，并且等效开关频率加倍，使谐波减小了，有助于解决使用高压 开关器件后开关频率降低带来的困难。
5、本中压变压器将贮能电容接在三相逆变器输入端，较之单相H桥级联方案电容量小。
图1是常规三相3L-NPC逆变器主电路的电路图2是ABB公司的ACS-5000变频器的电路图3是本发明实施例提供的基于中点钳位三电平技术的6kV中压变频器的电路 图4是是本发明实施例提供的3绕组零序电抗器零序电抗器示意图5是是本发明实施例提供的6绕组零序电抗器零序电抗器示意图6是是本发明实施例提供的逆变器输出的电压波形图7是两套3L-NPC整流电源(AFE)並联电路的电路图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述
一种基于中点钳位三电平技术的6kV中压变频器，如图3所示，图中，Ud是直流母 线电压W^b,。和un,a,b,。分别是第I套和第II套三相3L-NPC逆变器输出的相电压礼^ 是电动机定子三相绕组上电压；Utl是零序电压；三个三态开关分别表示常规三相3L-NPC逆 变器中的每一个3L-NPC支路。
在本实施例中，基于中点钳位三电平技术的6kV中压变频器包括中点钳位三电平 逆变器、整流电源和零序电抗器，在中点联线打开的电动机定子三相绕组两边各连接一套 中点钳位三电平逆变器构成串联回路，两套中点钳位三电平逆变器共用一组由整流器和贮 能电容组成的整流电源，两套中点钳位三电平逆变器的输入端分别连接一对贮能电容或两 套中点钳位三电平逆变器共用一对贮能电容，电动机定子三相绕组与零序电抗器绕组串联 在一起。
在本实施例中，驱动电动机为6kV异步电动机或同步电动机(永磁或励磁)，电 动机定子三相绕组两边连接的逆变器均采用三相3L-NPC逆变器，如图1所示的，该三相 3L-NPC逆变器由三个中点钳位三电平支路並联构成，每个中点钳位三电平支路均由四个开 关组件及两个中点钳位二极管构成，每个开关组件均由一个可控器件和一个续流二极管反 向并联构成，在该图中，V1 V4是中点钳位三电平支路中的可控器件，该可控器件可以为 IGBT，也可以是IGCT或IEGT高压器件，该可控器件的额定电压为4. 5kV。两套逆变器共用 一组约为士2. 5kV(Ud^5kV)的整流电源，每套逆变器输出的理想空载线电压(有效值)为 3. 5kV，两套串联后输出7kV，完全满足6kV电动机需要。
两套逆变器共用一组直流母线后，在电机绕组中除正序或负序电流外，还会有零 序电流流过。为抑制零序电流，引入一台零序电抗器(又称共模零序电抗器)，它是在一个 铁芯上绕有3绕组零序电抗器或6绕组零序电抗器，3绕组零序电抗器或6绕组零序电抗 器分别如图4及图5所示，其绕组分别与电动机三相绕组串联。在流过正序或负序电流时， 三相电流之和等于0，铁心不被磁化，只有漏磁链，零序电抗器变成三个小电感，不影响逆变 器输出的基波电压；在流过零序电流时，三相电流同相，三相电流之和兴0，铁心被磁化，零 序电抗器变成一个大电感，抑制零序电流。零序电压由两部分组成一是3倍基波频率的分 量，它的幅值不大，仅为基波输出电压的15 20%，随基波频率和电压幅值降低，3倍频分 量的频率和幅值按比例下降，不会出现低频时伏-秒面积加大，使铁心饱和情况；另一部分 是开关频率的分量，幅值较高，但频率高且固定，伏-秒面积不大，不会随基波频率降低而 加大。伏-秒面积与铁心截面成比例，伏-秒面积不大，零序电抗器体积和重量就不大。零5序电抗器绕组与电动机定子三相绕组的连接方式有三种一台3绕组零序电抗器串接于电 动机定子三相绕组一侧；两台较小的3绕组零序电抗器分别串接于电动机定子三相绕组的 两侧；一台6绕组零序电抗器，3个绕组串接于电动机定子三相绕组一侧，另3个绕组串接 于电动机定子三相绕组另一侧。
在本发明提供的变频器中，两套三相3L-NPC逆变器的PWM调制采用常规策略电 压空间矢量法(SVPWM)或有3倍频交流偏置的三角载波比较法(SPWM)。但是，要求两套逆 变器的PWM调制周期错开T/2(T-调制周期)，则在输出基波电压> 0时的相电压输出波形 (Ul+U )如图6所示，在该图中，U1和U11分别是第I套和第II套三相3L-NPC逆变器输出 的相电压波形^+Un是U1和U11的合成；D是PWM调制的占空比。
从图6看出，相输出波形有5种电平(士Ud、士Ud/2和0，负电平在输出基波电压 < 0时才出现)，且输出电压的等效开关频率加倍。输出电压电平数从3增至5，能减小谐 波。等效开关频率加倍后，相应数字控制系统的采样频率也可加倍(每T/2采样一次)，对 减小谐波、改善系统动态性能有很大帮助。使用高压大功率开关器件后，由于开关损耗大， 开关频率降至几百Hz，谐波大，动态性能受影响，给变频调节系统的设计带来很大困难。等 效开关频率和采样频率加倍将缓解低开关频率带来的困难。
从图6还可以看出，输出电压突跳幅值为Ud/2 ^ 2. 5kV，也就是说新的6kV逆变器 输出电压的dv/dt与3kV的常规3L-NPC逆变器相同。由于在新逆变器与电动机间加入了 零序电抗器，它还会进一步降低加至电机绕组的dv/dt。
本发明的整流电源与常规三相3L-NPC变频器的整流电源相同，有三种形式不可 控整流电源，用于单象限传动，加装制动单元和能耗制动电阻后，也可用于四象限传动；整 流/回馈电源，用于四象限传动；PWM整流(也称有源前端AFE)电源，用于四象限传动及电 网质量要求高场合。
如果想用AFE电源，并且希望使用与逆变器同样规格的开关器件及变换器，可以 采用两套3L-NPC整流电源(AFE)並联电路，如图7所示，在该图中，Ud是直流母线电压， 3L-NPC表示3L-NPC整流电源(AFE)，可以看出直流母线电压仍约为士2. 5kV，但电流加倍。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并 不限于具体实施方式
中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出 的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
权利要求
1.一种基于中点钳位三电平技术的6kv中压变频器，包括整流电源、中点钳位三电平 逆变器和零序电抗器，其特征在于在中点联线打开的电动机定子三相绕组两边各连接一 套中点钳位三电平逆变器构成串联回路，两套中点钳位三电平逆变器共用一组整流电源， 零序电抗器绕组与电动机定子三相绕组串联在一起。
2.根据权利要求1所述的一种基于中点钳位三电平技术的6kV中压变频器，其特征在 于所述的中点钳位三电平逆变器由三个中点钳位三电平支路並联构成，每个中点钳位三 电平支路均由四个开关组件及两个中点钳位二极管构成，每个开关组件均由一个可控器件 和一个续流二极管反向并联构成。
3.根据权利要求2所述的一种基于中点钳位三电平技术的6kV中压变频器，其特征在 于所述的可控器件为IGBT或IGCT或IEGT高压器件。
4.根据权利要求1所述的一种基于中点钳位三电平技术的6kV中压变频器，其特征在 于所述的零序电抗器为3绕组零序电抗器或6绕组零序电抗器。
5.根据权利要求4所述的一种基于中点钳位三电平技术的6kV中压变频器，其特征在 于所述电动机定子三相绕组与零序电抗器绕组采用如下三种方式之一连接使用一台3 绕组零序电抗器串接于电动机定子三相绕组一侧；使用两台3绕组零序电抗器分别串接于 电动机定子三相绕组的两侧；使用一台6绕组零序电抗器，其中3个绕组串接于电动机定子 三相绕组一侧，另3个绕组串接于电动机定子三相绕组另一侧。
6.根据权利要求1所述的一种基于中点钳位三电平技术的6kV中压变频器，其特征在 于所述的整流电源由整流器和贮能电容组成。
7.根据权利要求1或6所述的一种基于中点钳位三电平技术的6kV中压变频器，其特 征在于所述的整流电源的直流母线电压Ud 5kV，该整流电源为如下三种方式之一不可 控整流电源、整流/回馈电源和PWM整流电源。
8.根据权利要求1所述的一种基于中点钳位三电平技术的6kV中压变频器，其特征在 于所述两套中点钳位三电平逆变器的输入端分别连接一对贮能电容，或两套中点钳位三 电平逆变器共用一对贮能电容。
9.根据权利要求1所述的一种基于中点钳位三电平技术的6kV中压变频器，其特征是 两套中点钳位三电平逆变器的PWM调制策略为电压空间矢量法或有3倍频交流偏置的三角 载波比较法，两套中点钳位三电平逆变器的PWM调制周期错开半周期，使输出相电压达到5 电平、等效开关频率加倍。
全文摘要
本发明涉及一种基于中点钳位三电平技术的6kV中压变频器，包括整流电源、中点钳位三电平逆变器和零序电抗器，其主要技术特点是在中点联线打开的电动机定子三相绕组两边各连接一套逆变器构成串联回路，两套逆变器共用一组整流电源。本发明实现了在现有中点钳位三电平3L-NPC变频器优点的基础上将其额定输出电压提高至6kV的功能，同时输出相电压为5电平，dv/dt与现有3kV中点钳位三电平逆变器相同，可以直接使用6kV电动机，满足了我国电压等级标准要求，具有电路简单、容易实现回馈、运行可靠等特点。
文档编号H02P27/08GK102035463SQ201010584298
公开日2011年4月27日 申请日期2010年12月13日 优先权日2010年12月13日
发明者马小亮 申请人:天津天传电气有限公司, 天津电气传动设计研究所